高エネルギー物理学研究室
木河達也

長基線ニュートリノ振動実験
 J-PARCでミューニュートリノビームを生成
 前置検出器とスーパーカミオカン
デでニュートリノを検出


目的
世界初の電子ニュートリノ出現モードの発見 (→ θ13の測定)
 ミューニュートリノ消失モードの精2
密測定 (→ θ23, Δm23の測定)
グラファイト標的

ビームダンプ

off-axis検出器

nmp
電磁ホーン

p+ m+
崩壊領域0m

前置検出器

2.5°
ミューオンモニター118m

on-axis検出器

280m

スーパーカミオカンデ
295kmニュートリノ反応には様々なモードがあり、それぞれの反応断面積に15~30%の不定性がある→振動解析において系統誤差となる それぞれの反応断面積を測定することにより、不定性を抑制


CCQE反応νμ+n→μ+pnmm

W

pn
CCDIS反応νμ+n→μ+hadrons

nmnm

Whadrons

CC1π反応νμ+p→μ+p+πnmp

W

p+Δ++

p

NC1π反応νμ+n→νμ+n+π

nmnm

ZΔ0nm
p0n

目的


各反応モードの反応断面積の精密測定。

要請

ニュートリノ反応の終状態の全ての荷電粒子を高効率で検出し、ニュートリノ反応モードを識別すること

構造

ヒットのあった
シンチレータシンチレータ細長いシンチレータを並べた飛跡検出器→不感領域がない
波長変換ファイバー・MPPC読み出し→十分な光量を得るため
ニュートリノ反応

荷電粒子
シンチレータ

二次発光

MPPC
電気信号

光ケーブル

波長変換ファイバー
一次発光

光

pnmm







36層のシンチレータ層(トラッキングプレーン)を縦向きと横向きに交互に配置
1層は10×50×1203mm3のシンチレータ16本と13×25×1203mm3のシンチレータ16本から構成
13×25×1203mm3のシンチレータ16本は中央に配置し、10×50×1203mm3のシンチレータは8本ずつ端に配置(中央部で検出効率が最大となるため)各層は23mmずつ間隔をあけて配置
1203mm(モンテカルロ・シミュレーションにより最適化)

772mm
1203mmY

トラッキングプレーンの上下左右にはVetoプレーンを設置


外部から入射する粒子を検出し、ニュートリノイベントと区別

電源
エレクトロニクス
ボックス
Vetoプレーン850mm

1250mm

遮光パネル
Veto プレーン（プラスチックシンチレータ）

トラッキングプレーン
全体図



JNUBEAM
ニュートリノビームラインシミュレーション



シミュレートされたProton ModuleにおけるCCQE反応

NEUT

p

ニュートリノ反応シミュレーション
Geant4μ-検出器シミュレーション
Proton Moduleにおけるニュートリノイベン
トと壁におけるニュートリノ反応からの二次粒子がProton Moduleに入射するイベントをシミュレートProton Modulepμ+pπ+
グラファイト標的
JNUBEAM

νμNEUTμGeant4



JNUBEAM
ニュートリノビームラインシミュレーションProton Module

NEUT

μ-ニュートリノ反応シミュレーション
Geant4
検出器シミュレーション

シミュレートされた壁におけるニュートリノ反応からの二次粒子がProtonModuleに入射したイベント

Proton Moduleにおけるニュートリノイベン
トと壁におけるニュートリノ反応からの二次粒子がProton Moduleに入射するイベントをシミュレートProton Modulepμ+pπ+グラファイト標的
JNUBEAM

νμNEUTμGeant4

セル・オートマトンとよばれる、離散的計算モデルを応用した、飛跡再構成方法を確立
 複数の飛跡を再構成することが可能
 飛程が短い粒子でも3層以上でヒットを起こせば、飛跡を再構成できる
Side view

Top view

Side view

Top view

ν
飛跡再構成

ν
反応点

ニュートリノ反応からの様々な粒子を検出することができている。
 期待されるニュートリノイベント数は100kWでの一年のビーム運転で8.58×104イベント
 壁におけるニュートリノ反応からの二次粒子がProton Moduleに入射するイベント数は100kWでの一年のビーム運転で1.12×106イベント
CCQE(νμ+n→μ-+p)

pCC1π+CC DIS+(νμ+p→μ +p+π ) (νμ+N→μ-+hadrons)

モード

イベント数

CCQE

2.32×104

CC1π2.29×104

CCDIS

4.29×103

CC other

1.20×104

NC elastic

9.44×103

NC1π9.42×103

NCDIS

2.50×103

NC other

3.43×103

NC elastic(νμ+N→νμ+N)

pp
μ-μπ+μ-+hadrons

NC1π0(νμ+N→νμ+N+π0)2010年4月から7月にかけて製作
 2010年7月31日に完成


検出器上面の読み出し部

Proton Module全体(正面から)

エレクトロニクスボックス内部

縦向きシンチレータ層



すべてのチャンネルで十分な光量(>20p.e.)→99%の検出効率を得るのに十分な光量
横向きシンチレータ層

横向きシンチレータ層

縦向きシンチレータ層
307025602560205020501540154010301030

520520010010

チャンネル番号

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
プレーン番号

光量70

光量チャンネル番号30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
プレーン番号

11月16日からビームデータを取得開始
 11月18日にニュートリノイベントを初観測
 12月25日まで取得したデータを解析ニュートリノイベントを選択し、モンテカルロ・シミュレーションと比較→Proton Moduleが期待される動作をしているか確認

Side viewνν

期間

11/16~12/25

総スピル数584121

照射された陽子数4.06×1019

取得したスピル数

584071

データ取得効率99.99%Top view

μ-?

p?
初ニュートリノイベントのイベントディスプレイ

照射された累積陽子数

解析に用いたデータセット

累積陽子数の推移

Date

飛跡を再構成→飛跡が再構成されるイベントを選択
 飛跡が再構成されるイベントの大半が壁で起きたニュートリノ反応からの二次粒子がProton Moduleに入射したイベント
 イベント数がモンテカルロシミュレーションの見積もりより多い→バックグラウンドを規格化(1.34倍)
Side view
上流

Top view

下流

反応点のZ座標 (mm)

排除されるイベントの例

飛跡を再構成→飛跡が再構成されるイベントを選択
 飛跡が再構成されるイベントの大半が壁で起きたニュートリノ反応からの二次粒子がProton Moduleに入射したイベント
 イベント数がモンテカルロシミュレーションの見積もりより多い→バックグラウンドを規格化(1.34倍)
規格化
上流Side view

Top view

下流

反応点のZ座標 (mm)

排除されるイベントの例

Side viewTop view

再構成された飛跡の上流の延長線上のVetoプレーンがヒットしているイベントを排除(側面から入射する荷電粒子によるイベントを排除)
排除されるイベントの例

反応点のX座標 (mm)

反応点のY座標 (mm)

これまでのカットで外部から入射する荷電粒子によるイベントは十分排除できた。
 外部から入射する中性粒子(中性子、γ)が内部で荷電粒子を叩き出すイベントが排除できない。
 再構成された飛跡数が1本のイベントを排除Side view

飛跡数

Top view

排除されるイベントの例

Side view

最終的なニュートリノイベント選択効率は30.2%
 最終的なバックグラウンド混入率は23.8%
 最終的に選択されたイベント数はデータで4042、モンテカルロ・シミュ
レーションで4045でありほぼ一致Top view

選択されるイベントの例
測定データ

モンテカルロ・シミュレーション

ニュートリノ
イベント

バックグラ
ウンド

合計

ニュートリノイベント
選択効率

バックグ
ラウンド
混入率

飛跡の再構成1941978330

186442

194772

81.7%

95.7%

最上流のカット

50835

7670

42623

50293

75.2%

85.2%

Vetoプレーンのカット

29594

7152

23820

30972

70.1%

76.9%

端チャンネルのカット

13120

5652

9224

14876

55.4%

62.0%

飛跡数によるカット

40423083

9624045

30.2%

23.8%

100%

B.G.

90%

NC other

80%

NCDIS

70%

NC multi π60%NC1π50%NC elastic

40%

CC other

30%

飛跡数


20%

CCDIS

10%

CC multi π0%

CC1π2

345以上

CCQE

データとモンテカルロ・シミュレーションがよく合っている。

Proton Moduleは正常に期待されたとおりの動作をしている。
 粒子識別方法を確立した上で、反応モードの識別を行う


T2K実験の振動解析において系統誤差を生む、ニュートリノ反応の不定性を抑制するために、新型検出器Proton Moduleを開発した。
 モンテカルロ・シミュレーションを元にデザインを最適化し、十分な性能が期待できることを確認。
 2010年4月から7月にかけて実機を製作。
 すべてのチャンネルが正常に動作していることを確認し、設置。
 取得したデータをモンテカルロシミュレーションと比較した結果、ほぼ一致していることを確認→Proton Moduleは正常に期待された通りの動作をしている。
 反応モードの識別方法とよりよいニュートリノイベント選択方法を確立
し、ニュートリノ反応の精密測定を行う
Side viewTop view

再構成された飛跡の最上流点が、最も端のチャンネルのイベントを排除(Vetoプレーンの隙間から入射する荷電粒子によるイベントを排除)
排除されるイベントの例

反応点のX座標 (mm)

反応点のY座標 (mm)

2010年4月から7月にかけて製作
0.組み立て前

1.シンチレータの取り付け

5.Veto planeと遮光パネルの設置

4.MPPCの取り付け+ケーブリング

2.ファイバー入れ

3.ケーブルとボードの接続403530250200 400 600 800 1000 1200
ニュートリノ反応点のX座標 (mm)

CCQE反応の検出効率(%)

CCQE反応の検出効率(%)

4545403530250200 400 600 800 1000 1200
ニュートリノ反応点のY座標 (mm)

ノイズレートの差(組立前－組立後)ゲインの差(組立前－組立後)

ゲインとノイズレートの組立前と組立後の測定値を比較
全てのチャンネルでほぼ一致

×105
3
2
10-1-2-30×1056420-2-4-60

200

400

600

800

1000
1200
チャンネル番号200400

600

800

1000
1200
チャンネル番号

統計誤差が大きいが、データとモンテカルロ・シミュレーションがよく合っている。

排除するイベント

選択するイベント

当面の移動計画

将来的な移動計画

SciBar型×16本 INGRID型×8本

1203mmINGRID型×8本

1200mm

CCQE反応の検出効率(%)



36層のトラッキングプレーン(縦向きと横向きに交互に配置)
1層は10×50×1203mm3のシンチレータ16本と13×25×1203mm3のシンチレータ16本から構成
13×25×1203mm3のシンチレータ16本は中央に配置し、10×50×1203mm3のシンチレータは8本ずつ端に配置(中央部で検出効率が最大となるため)各層は23mmずつ間隔をあけて配置
1203mm(モンテカルロ・シミュレーションにより最適化)
48772mm47461203mm

45Y

4443

20232629
層の間隔 (mm)







36層のトラッキングプレーン(縦向きと横向きに交互に配置)
1層は10×50×1203mm3のシンチレータ16本と13×25×1203mm3のシンチレータ16本から構成
13×25×1203mm3のシンチレータ16本は中央に配置し、10×50×1203mm3のシンチレータは8本ずつ端に配置(中央部で検出効率が最大となるため)各層は23mmずつ間隔をあけて配置
1203mm(モンテカルロ・シミュレーションにより最適化)

1203mm

772mm
.....

23mm 27mm 23mm 23mm 23mm

809mm

1203mmY